神經網絡基本知識范文

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關鍵詞：人工智能；深度學習；教學建議

0 引言

傳統的人工智能課程主要包括人工智能導論、模式分析、機器學習、數據挖掘等。這些課程由各個院校根據專業情況不同而選擇，課程的內容也有較大差別，但是，基本上都涉及人工神經網絡的內容。然而在人工神經網絡的教學內容上，一般只講解經典的多層感知器和反向傳播算法，或再加入一些反饋網絡的內容，這種教學內容設計的一個不足是忽視了人工智能領域的最新發展——深度學習，它是近幾年人工智能領域最具影響力的研究主題，并在大規模語音識別、大規模圖像檢索等領域取得突破。

北京郵電大學計算機學院開設人工智能科學與技術的本科專業，筆者從事深度學習的研究工作，同時承擔了本科生和研究生人工智能類課程的教學工作，因此產生了將深度學習內容引人人工智能類課程的想法。本文先介紹深度學習的背景，說明深度學習在人工智能發展中的地位，之后分析了將深度學習基本內容引入人工智能類課程的必要性和可行性，最后給出了一些實施建議供探討。

1 深度學習背景

2006年，加拿大多倫多大學的GeoffreyHinton教授與Salakhutdinov博士在美國《科學》雜志發表了題為“Reducing the Dimensionality ofDatawith Neural Networks”的論文，該文提出一種學習多層神經網絡的方法，并將這種具有多層結構的學習方法命名為深度學習（Deep Learning），而這成為深度學習研究的一個導火索，從此深度學習的研究與應用蓬勃發展起來。

深度學習在語音識別與生成、計算機視覺等應用領域取得了突出進展。近幾年的國際機器學會（International Conference on MachineLearning，ICML）、神經信息處理大會（AnnualConference On Neural Information Processing Systems，NIPS）、計算機視覺大會（InternationalConference on Computer Vision，ICCV）、

聲學語音與信號處理大會（International ConferenceOn Acoustics，Speech，and Signal Processing，ICASSP）、計算語言學大會（Annual Meeting of the Association for Computational Linguistics.ACL）、計算機視覺與模式識別（InternationalConference on Computer Vision and P atternRecognition，CVPR）等都有不少相關的研究論文、會議教程和小組研討會（Workshop）。美國國防高級研究計劃（DARPA）也提出了關于深層學習的研究項目。此外，2013年6月《程序員雜志》的封面故事，采訪了周志華、李航、朱軍3位國內的機器學習專家對于深度學習的看法，他們一致肯定了深度學習在機器學習領域的貢獻。

工業界對深度學習也寄予了很高期望。2012年6月，《紐約時報》報道了斯坦福大學計算機科學家AndrewNg和谷歌公司的系統專家JeffDean共同研究深度神經網絡的機器學習模型在語音識別和圖像識別等領域獲得的巨大成功。2012年11月，微軟公司在天津公開演示了一個全自動的同聲傳譯系統，其關鍵技術也是深度學習。2013年1月，百度公司首席執行官李彥宏先生宣布建立深度學習研究院（Institute of Deep Learning）。2013年3月，谷歌公司收購了由深度學習創始人Geoffrey Hinton創立的公司。

從學術界與工業界的研究態勢看，深度學習已經成為機器學習與模式識別，乃至人工智能領域的研究熱點。正是在這樣一個背景下，人工神經網絡重新回到人們的視野。此前人工神經網絡的發展大致可以分為兩個時期，1943年，McCulloch和Pitts提出了最早的人工神經元，這種神經元具有學習能力，這是人工神經網絡的發端，也可以被認為是人工智能的發端（當時還沒有人工智能這個術語）。1949年，Hebb提出了Hebbian學習算法。1957年，Rosenblatt提出了感知器的神經網絡模型。1969年，Minsky和Papert分析了這種感知器神經網絡模型的局限性。然而，很多研究者認為，感知器的這種局限性對于所有的神經網絡模型都適用，這使人工神經網絡的研究很快暗淡下來。1980年代中期，諾貝爾獎得主John Hopfield提出了Hopfield神經網絡模型，這種Recurrent神經網絡具有的動態性有可能用于解決復雜的問題。同時，多層前向神經網絡的后傳算法也被重新發現，這兩個工作使人工神經網絡得到重生。這時，人工神經網絡已經成為人工智能的一個重要組成部分。但是，在隨后的研究中，人們發現，當學習多層神經網絡包含更多的隱藏層時，后傳算法并不能學到有效的網絡權值，這使得神經網絡的研究再次陷入低潮。此次以深層神經網絡為代表的深度學習重新回到研究的舞臺，其中一個重要因素是Hinton提出的逐層預訓練神經網絡方法治愈了多層神經網絡的一個致命傷。

2 必要性與可行性

深度學習的發展使得從事教學一線的教師也無法忽視這個頗具影響力的研究主題。為此，我們提出將深度學習這個主題引入到人工智能類課程中，將它作為課題教學的一部分。

2.1 必要性

將深度學習這個主題引入到人工智能類課程中的必要性主要包括如下4點。

1）深度學習是人工智能的前沿。

2006年以來，深度學習的研究席卷了整個人工智能，從機器學習、機器視覺、語音識別到語言處理，都不斷涌現出新的研究工作和突破性進展。深度學習不僅在機器學習領域成為研究熱點，同時在多個應用領域也成為有力工具，而且，在工業界的系統應用中，深度學習成為其中的關鍵解決技術。

2）深度學習是人工智能的突破。

深度學習的發端是神經網絡。關于神經網絡的論述，在人工智能類常見教科書中還停留在多層神經網絡，即神經網絡的第二階段，它們大部分描述多層結構無法訓練的現象。但是，從深度學習的角度看，深層神經網絡不僅可學習，而且有必要，這與第二代神經網絡的觀點是完全不同的。深度學習突破了原有人工神經網絡的認識，超越了人工智能神經網絡教科書中的原有內容，因此，有必要將多層神經網絡結構的可學習性告知學生，從新的視角糾正原有的觀點。

3）深度學習是人工智能的延伸。

深度學習不僅提供了一種可以在深層神經結構下訓練網絡的方法，也包含了不少新的內容，是人工智能的新發展，為人工智能補充了新的內容。到目前為止，深度學習至少包括：從生物神經網絡與人類認知的角度認識深層神經網絡的必要性；如何構建和學習深層學習網絡；如何將深層結構用于解決視覺、語音、語言的應用問題；如何看待深度學習與原有的機器學習方法，如流形學習、概率圖模型、能量模型的直接關系；深度學習與其他學科的關系等。

4）深度學習是學生的潛在興趣點。

大學生對知識有著強烈的好奇心，加之當前信息技術的發達，部分對智能感興趣的學生可以從其他途徑了解到這個學科發展的前沿。因此，順勢而為，將深度學習這個主題做具體講解，滿足學生的好奇心，培養他們對學科前沿與發展的認識，是十分必要的。對高年級的學生而言，了解深度學習的基本知識，是他們全面認識人工智能與發展前沿的一個途徑，而對于研究生，較多地了解和掌握深度學習的基本知識有助于他們研究工作的開展。

基于以上幾點，筆者認為，將深度學習這個主題引入到人工智能類課程中非常有必要。深度學習作為人工智能的前沿，既是對人工智能原有理論和技術的一個突破和補充。

2.2 可行性

將深度學習引入到人工智能類課程中的可行性主要包括如下3點。

1）深度學習與現有人工智能聯系密切。

深度學習并不像突兀的山峰拔地而起。而是深深植根于原有的人工智能理論與技術。深度學習是以神經網絡為出發點，這正是深度學習教與學的切入點。比如，可以通過對多層感知器隱藏層的增加和后傳算法的失效來講解深度學習是如何解決這個問題的。再者，深度學習的一個核心構建“受限波爾茲曼機（Restricted Boltzmann Machine）”，可以被認為是一種能量模型，而這種模型與Hopfield網絡都可以從物理學的能量模型角度分析，RBM可以認為是Hopfield網絡的隨機擴展?？傊?，深度學習與現有人工智能的聯系，使學習深度學習變得容易。

2）深度學習的基本內容并不深。

深度學習有個很好的名字，這個名字恰當地描述了特定的學習結構。比如，深度學習的核心部件受限于波爾茲曼機RBM，其結構非常簡單。從神經網絡的角度，受限波爾茲曼機是一種隨機的雙向連接神經網絡，信號可以從可見層傳遞到隱藏層，也可以從隱藏層傳遞到可見層。網絡中每個節點是具有特定結構的神經元，其中的神經元具有典型的包含自身偏置的Logistic函數的隨機單元，能夠依Logistic函數計算得到的概率輸出0狀態或1狀態。概括地說，深度學習的基本內容在高年級階段較易掌握。

3）深度學習的資料容易獲得。

當前的信息資訊非常發達，有相當多的資料可以通過互聯網等多種途徑獲得，這使學習深度學習成為可能。近期，中國計算機學會主辦了多個技術講座均涉及深度學習的部分；深度學習的創始人Hinton教授的主頁也有很多資料；Coursera網站有免費的Hinton教授的神經網絡課程；斯坦福大學的Ng教授提供了很多的在線教程；蒙特利爾大學Bengio教授發表的題為“Learning Deep Architectures for AI”的論文也是這領域的優質資料。

3 實施建議

在具體的教學過程中，筆者建議適當安排深度學習的最基本內容，內容不宜過多，也不宜占用過多的學時，可以根據教學對象的不同進行調整。比如，本科生的高年級專業課可以安排1學時的教學量，介紹層次訓練的基本算法；也可以在高年級前沿講座中安排2學時，內容覆蓋面盡可能廣泛。在研究生的教學中，可以根據教學的課程主題安排內容與學時。比如，神經網絡主題的課程可以安排4-6學時的教學內容，包括波爾茲曼機及學習算法、深層信念網絡與學習算法、深層波爾茲曼機與學習算法卷、積神經網絡、自動編碼器等。結合應用，課程還可以包含MNIST數字識別的應用、人臉識別的應用、圖像檢索的應用、語音識別中的應用等。另外，深度學習是一個實踐性很強的研究，隨機性：大規模（意味著數據不宜可視化，程序運行時間長）等多種因素混合，使深度學習在學習中不容易理解。為此，可以在條件允許的前提下，增加小規模的實驗，輔助理解。最后，課件可以通過對優質資料做修改得到。

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關鍵詞： 網絡課程 評價模型 評價方法

網絡課程是基于Web的、以超媒體形式表現的、以異步學習為主的課程，它是基于Web傳輸的為達到某學科或領域的教學目標而設計、組織的相對完整的學習經驗體系，它包括圍繞特定學習目標而設計組織的學習內容、為實施課程而設計的交互性學習活動、為評價課程效果而進行的測評等，是學習內容與學習活動的復合體[1]。網絡課程作為一種重要的數字化學習資源，是當前高等學校開展遠程教育、進行信息技術與課程整合的關鍵。網絡課程的質量是制約整個網絡教育質量的一個關鍵環節。

國內外對網絡課程的評價十分關注，產生了很多有價值的評價標準。我國教育信息化技術標準委員會有專門的課題組進行網絡課程評價標準的研制，最新公布的《網絡課程評價規范》從課程內容、教學設計、界面設計和技術四個維度構建了評價網絡課程的基本框架。而當前網絡課程評價研究的重點之一是網絡課程評價方法研究。

一、網絡課程典型評價模型

1.總分法及加權平均法

總分法是對評價對象按每一個影響因素給出一個評定分數，然后用所有分數的總和作為評價標準的一種綜合評價方法。總分法將每個因素都看成是同等重要的，但是，在許多需要進行綜合評價的場合，不僅應該考慮因素的性質和多少，而且應該考慮各因素的重要程度。加權平均法對不同因素的重要程度賦予一定的權重，在對各個因素進行評分的基礎上進行加權平均，再用加權平均值作為評價標準的一種綜合評價方法。顯然比總分法能給出更加合理的評價結果。因此，很多網絡課程評價時，經常采用這種方法。

總分法和加權平均法簡單易行，但評價方法沒有考慮到網絡課程評價中許多非量化的因素，很多評語集的語義都含有一定的模糊性，評價者在給某一指標打分時，會有一定的隨機性。如果簡單地將這些量化值合并，就必然會損失一些信息，導致不準確的評價結果。

2.模糊綜合評價法

模糊綜合評價法為非量化評價與量化評價的結合提供新的思路。對于網絡課程系統來說，其評價指標大多面臨“模糊”或“不確定性”，模糊綜合評價法正是研究不確定性問題的有效處理方法；評價指標具有多層次、相關性，所以通常將模糊評判法和層次分析法相結合。通過對各評價指標權重及模糊評判矩陣各元素值的分析，可對被評價網絡課程存在的問題提出改進的建議，評估模型實用性強、可靠性高。

很多模糊評價模型中常見最大隸屬原則，因此會損失部分有用的信息；在網絡學習的評價過程中，如使用模糊綜合評判方法，對服務器的要求很高；模糊綜合評判指標體系必須滿足矩陣式，它不能按網絡課程與評價指標的具體情況分級。

3.基于云模型的綜合評價法

云模型可以統一描述語言值中大量存在的隨機性、模糊性，以及兩者之間的關聯性。云模型利用語言值描述的定性概念與其數值表示之間的不確定性轉化模型。教育相關的研究領域中，基于云模型綜合評判方法目前被一些學者引入，利用云發生器可以實現評價指標評語的定性定量轉換，還可使用云模型的方法處理評價數據。

該評價系統對于評價人數較少時，使用逆向云算法會存在不可信的結論，比如專家評價網絡課程時人數肯定不會很多。另外，在相似云的算法中可能會由于權重選擇不當而導致相似比較值出現偏差，導致最終的評價結果的準確性不高。[2]

4.基于灰色系統理論的網絡課程綜合評價方法

網絡課程評價是一個多屬性的、多層次指標體系構成的綜合的評價過程，注重于對內容、資源和寓于內容之中的教學策略和學習策略的評價。在具體評價過程中，評價指標顯然決定了評價的內容，是網絡課程評價的基礎。灰色系統評價方法可以使具有小樣本性、不確定性及模糊性的評價結果更加合理，為網絡課程的多元化評價提供參考和借鑒。

5.物元評價模型方法

物元分析是系統科學、思維科學和數學科學的交叉邊緣學科。利用物元理論可以建立一套識別“既是又非”和可變性事物的方法。該模型為網絡課程的評價提供了一個新的視角，不僅能夠從定性與定量兩個維度使評價結果更準確、更全面，而且能體現出對評價結果的反饋，更好地優化網絡課程。該方法是對網絡課程評價研究的有益探索，但有待在實踐中繼續完善。[3]

6.神經網絡方法

BP人工神經網是一種多層前饋型神經網絡。基于BP神經網絡模型能較為精確地模擬專家進網絡課程的內容質量評價，并能較好地反映專家結論。這樣可以避免專家重復勞動，并減少人為因素導致的錯誤?？梢越柚窠浘W絡方法進一步對網絡課程其他指標進行評價，也可以將其他指標進行綜合后作為輸入神經元，最終得到多個輸出評價結果。如何設定更加科學全面的評價指標，質量高的樣本庫，以及如何針對學生進行輔學習方面還需要進一步考慮。

二、關于網絡課程評價方法的進一步探討與思考

1.網絡教學與課堂教學的結合

在線學習的出現改變了傳統的教學模式，隨著信息化的不斷發展，逐步從以教師為中心的傳授型教學轉變為以學生為主的，根據自身知識結構不同進行的索取型教學。通過學生自學和網絡教學的方式，積極調動學生參與到教學中，從而在課外完成某些特定內容的教學，保證了在少學時內，學生也能很好地掌握基本知識。

2.重視對學習方案效果的評價

目前對網絡化學習方案效果的評價研究較少，通過對網絡化學習效果研究的分析，我們認為，應當從教與學的全過程看待網絡化學習的效果，充分考慮到網絡化學習全過程中各個環節的作用，考慮到各種因素的影響及其相互作用。因此，對網絡化學習效果進行綜合性的研究是較為符合當前網絡化學習評價領域發展現狀的研究方向。

3.評價應充分重視學生主體

從網絡課程的具體實施來看，學生是進行網絡課程學習的主體，可以說對主體的學習質量及效果的評價是進行網絡課程的教學質量評價的根本。學生是網絡課程最主要的服務對象，而且是最具資格的課程質量評價者。在這種理念支持下，學生個體需求的滿足程度已成為網絡課程質量的重要評價尺度。

參考文獻：

[1]CELTS-22.1，教育信息化技術標準[S].

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關鍵詞：智能控制；雙語教學；教學實踐

作者簡介：陳志楚（1976-），男，湖北仙桃人，湖北汽車工業學院電信學院，講師。（湖北　十堰　442001）

中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）34-0077-02

隨著全球經濟一體化以及信息處理手段網絡化的發展，世界各國高等教育正在經歷深刻的變化。中國高等教育的發展也正在經歷教育方式國際化和人才培養綜合化。而社會對于掌握專項技術同時又可以熟練使用英語進行國際交往和合作的高級復合型人才的需求也使得當前高等院校中的雙語教學方興未艾。

當前隨著我國入世和國際貿易交流的發展，全方位發展的高素質工科人才不僅需要面對大量的工程問題，同時也會遇到使用國際通用語言——英語的問題。能夠閱讀和查找最新說明書和工程資料，與同行溝通交流和解決問題，這些都是高校教育的目標。采用雙語教學，引進外文教材，使用英語、漢語來講授專業內容，讓學生可以接觸到較先進的內容和理念的同時，增強使用英語閱讀交流專業知識的能力；同時可以促進教師的教學方式和學校相關課程設置的發展，是“一舉多得”的教學改革。

智能控制作為高校機械工程及自動化專業的一門專業課程，是在人工智能及自動控制等多學科基礎上發展起來的新興交叉學科，是控制理論發展的高級階段。對于控制理論及控制工程等領域的本科生來說，需要通過該課程掌握智能控制的基本理論并逐步學會智能控制的應用。通過這些內容的學習，使學生了解智能控制的基本結構、各類主要智能控制方法的基本知識，掌握模糊控制與神經控制的基本理論、算法和基本設計方法，并為今后智能控制系統的設計、運行打下一定基礎。

湖北汽車工業學院堅持特色興校、教育創新，注重個性發展，著重培養學生的創新精神和實踐能力。在本科教育上緊緊圍繞培養創新型應用人才為目標，堅持走產學研道路，積極推進本科教改，全面推進教學改革，提高教學與教研的整體水平，不斷提高人才培養質量。湖北汽車工業學院自動控制教研組在省級精品課程“電工電子技術”的基礎上，以“智能控制”課程作為教學試點，開展了雙語教學的一系列教學實踐。

雙語教學是使用外語進行的非語言專業類課程教學。雙語教學在高校中廣泛開展的同時也遇到了相當多的問題。在課堂中由于雙語的引入，引起了思維方式的轉變，學生的學習內容和教師的備課工作量都大為增加；學生英語水平參差不齊和教師的英語能力有限造成課堂專業課信息量減少，缺乏師生互動，教學效果受到限時。筆者一直任教控制類課程專業課程教學，并從事過英語教學多年，在開展“智能控制”課程雙語教學教學實踐活動中總結了一些經驗。

一、教材的選用

雙語教材的選用是關系到雙語教學質量的大事。在選擇教材時，應以實用、適用和學生的承受能力為主要參照。引進的原版教材一定要是優質的，同時也應是內容比較新的。各個學校和各個院系可以根據自己的需要進行優選。原版教材注重啟發學生思考和動手實踐，善于由淺入深地敘述和展示理論、原理，并非常注意實驗和技術應用。但是原版教材也存在課程體系和大綱與國內不符，同時內容過淺的問題。而國內教材從內容、知識結構和難度上都較符合學生的認知水平和規律，知識體系清楚完整，敘述嚴謹，擅于概念和理論推導。所以在教材的選擇上，不應完全排斥中文教材，教師應在吃透教學內容的前提下充分發揮兩者的長處，組合使用。而學生也可以在使用一兩本主教材的基礎上，同時閱讀多本參考教材，以幫助理解，激發求知欲。

考慮到多數高等學校第五或第六學期開設智能控制課程，其前序課程有“自動控制”、“現代控制”和“過程控制”作為基礎，所以其內容和前面課程有較強的連貫性。因此，為開展“智能控制”雙語教學，筆者將在前面部分回顧控制理論的主要內容作為引入智能控制方法的基礎，并向學生推薦課下閱讀控制理論的經典教材，比如Dorf的《Modern control System》（國內有影印版）等。“智能控制”課程本身內容非常龐雜，涉及領域也很廣，故教材也是風格迥異。模糊控制方面的教材有Kevin M. Passino etc.的《Fuzzy Control》等，神經網絡控制方面的教材有Kevin Gurney的《An Introduction to Neural Networks》等，但符合國內“智能控制”大綱的教材非常少，而且國內改編和自編教材基本沒有。考慮到課程本身的特點，筆者采用了“原版教材和中文教材結合，主要教材和參考教材結合”的方式。筆者在課程中外文教材主要采用Alexander M. Meystel和James S. Albus等的《Intelligent Systems：Architecture，Design，Control》。該書是智能控制領域的著名教材，它回顧了整個學科的發展，同時從理論和技術兩個方面全面講述了智能控制系統的構造、設計和實用。國內出版社有影印版出版，并同時有原文和中文翻譯兩個版本方便學生閱讀。易繼鍇的《智能控制技術》作為主要中文參考教材。該書對于各個知識點的講述比較清晰透徹。除此之外，在課程教學過程的不同階段，鼓勵學生通過圖書館或者網絡自由選用、閱讀更多的外文教材和中文參考教材。

二、教學內容的選擇

不論是否采用雙語教學，課程最后的教學效果是關鍵。由于雙語教學在語言理解上花費了學生和老師大量的精力，這樣在教學內容的選擇上就更顯得尤為重要。應在內容上選擇符合大綱、重點難點為主的知識，并在這些知識點上增加教學投入時間。“智能控制”是一門國內開展較晚的課程，由于其涵蓋模糊系統、神經網絡、優化算法和專家系統等諸多智能算法和應用控制方法，所以教學上不可能做到面面俱到，只能是擇優而取。參照國外很多著名大學（諸如麻省理工學院、加州理工大學等）的教學課程安排，基本上沒有專門的“智能控制”課程，而是各個系會針對學生所學專業需要開展相應的課程，例如“針對模式識別的神經網絡算法”或者“機器學習中的模糊控制”等等。依據湖北汽車工業學院和自動化專業的具體情況，“智能控制”主要是對各類控制算法的原理和應用領域進行介紹，讓學生對其有總體的了解和認識，使其能在實踐中運用?；诖四康?，筆者主要講授的內容為緒論（智能控制的發展歷史）、模糊控制理論基礎、模糊控制系統、神經網絡模型、神經網絡控制論和集成智能控制系統。

由于課程學時較少，每個知識點的學時有限。這樣，每種智能控制方法以介紹講述為主，但不作詳細的分析和過多的數學推導。比如在講述模糊控制的模糊推導系統時，推理方法有蘊含積、蘊含最小和Mamdoni方法等各種推理方法，在講授時以應用最多的Mamdoni方法為主介紹原理，其他方法只需了解。為使得學生能夠理論聯系實際，特為本課程增加實驗環節，并專門開設“智能控制”實驗，安排實驗學時及老師等資源配置，以保證實驗效果。學生需要利用Matlab或者C及其他編程語言分別針對倒立擺和水箱水位控制等多個控制對象使用神經元控制、模糊控制、專家控制等不同的智能控制手段進行仿真分析，以驗證課堂內容。比如針對水箱水位控制學習，采用學生分組，每個小組通過討論確認選擇不同算法，可采用神經元控制、模糊控制、模糊控制和專家控制結合等各類方法。最后測試結果，分析原因。通過這樣的實踐活動可以提高學生對書本內容的直觀理解，增加學習熱情。

三、教學方法的改進

“智能控制”課程涉及到控制論、人工智能和運籌學等諸多交叉學科，而其中每個學科的內容都十分龐雜。一味介紹講述容易使學生像聽“科普課”，興趣很大但實際意義不大，無法指導實踐；而針對某個知識點講述過深過難，本身學時不夠，會造成學生的畏難情緒且無法讓學生形成對課程的整體理解。雙語教學既有很多優點，但要教好也存在學生不易理解等諸多難題。為此，筆者和課題組老師針對這些問題展開了一系列教學改革和探索。

1.教學課件使用英語制作，主要使用英語講述

雙語教學要提高學生英語的閱讀、溝通和交流能力，教師首先要使用英語教材和英語課件，并使用英語來“教授”課程。但是考慮到英語并非母語，可在重要專業術語初次出現時旁邊加注漢語。并在介紹和描述概念時主要使用英語，但不應盲目排斥使用漢語。在需要師生互動的時候，如果學生反映理解有困難，可以使用漢語舉例子或者使用比喻、講故事等方法以幫助學生理解。

2.多使用課堂多媒體演示

智能控制效果單獨通過講述智能控制方法會讓學生覺得枯燥，而利用多媒體來對某個控制算法進行軟件仿真和演示就可以直接形成“感觀”意識，從而加深學生對于課程內容的印象。例如針對智能洗衣機的模糊控制，可以使用Matlab結合Simulink和Labview等軟件對分別進行使用不同形狀隸屬度和不同模糊推理方法的仿真，最后控制的效果可以通過仿真展現在學生面前，激勵學生自己通過實驗得到真實結果來對比并展開討論。

3.增加實驗教學環節

本課程之前由于學時的限制，僅限于理論教學。為增強教學效果，特增加神經元控制和模糊控制等多個實驗，并在實驗驗收階段增加小組答辯等環節，以增加學生的實踐技能和分析研究問題的能力。

四、課程考核的改進

雙語教學不同于普通英語教學、專業英語教學，它以掌握專業知識和技術為主要目的。但是雙語教學課程既然以培養學生的全面素質為目的，那么在最終成績的考核體系上就需要綜合各類因素，盡可能全面公平公正地給予學生評價。傳統的“智能控制”課程考核方法僅限于試卷考試，主要是概念論述和公式推導演算，無法全面評價學生的能力水平。試卷中無法涵蓋學生對于專業基礎知識的掌握情況，也無法提供學生在學習探究以及采用雙語教學后英語應用能力的測試結論。

本課程現已轉變為試卷考試、試驗考查和獨立報告等多方面結合的課程考核方法。除去卷面考試分數外，學生可以通過以下途徑獲得加分：閱讀相關外文文獻并作出閱讀報告或完成英語口述演示；學生通過獨立或小組實驗并根據實驗結果作出實驗分析報告且完成答辯。這些教學改革意在全面考查學生的理解和實踐能力，鼓勵學生分析研究和創新。學生不僅要掌握智能控制的控制思想和方法方面的知識，還要能使用英語閱讀和表達，并通過試驗和獨立研究實現自己的控制理念。

五、結束語

筆者通過對“智能控制”進行雙語教學提高了學生對于該課程的學習興趣，并取得了較好的教學效果。多數同學認可教學改革的效果。課程考查通過率達到82%，其中約21.2%的同學通過英語綜述和閱讀報告獲得加分，約1/3的同學通過實驗和課程報告獲得加分。而隨后的問卷調查顯示，31.7%的同學在課程結束后對智能控制產生興趣，51.3%的同學認同在學習后英語水平有提高，并對后期通過大學英語四、六級考試有幫助。

從長遠看，在專業課程中開展雙語教學是一個大趨勢，但是如何使雙語教學發揮優勢、避免一些可能的問題還需要解決大量細致的問題，在師資培養、教學方法創新和雙語教學效果評估方法方面不斷思考、研究和探索。

參考文獻：

[1]吳平.五年來的雙語教學綜述[J].中國大學教學，2007，（1）.

[2]莫勇波.關于大學雙語教學有效性探索[J].廣西教育學院學報，2008，

（5）：48-51.

[3]Richard C.Dorf，Robert H.Bishop.Intelligent Control System（12th Edition）[M].Prentice Hall，2010.

[4]Alexander M.Meystel，James S.Albus.Intelligent Systems：Architecture，Design，Control（First Edition）[M].Wiley-Interscience，2001.

[5]TimonthyJ.Ross.Fuzzy logic with Engineering Applications（Third Edition）[M].Wiley，2010.

[6]Laurene V.Fausett.Fundamentals of Neural Networks：Architectures，Algorithms And Applications（First Edition）[M].Prentice Hall，1993.

[7]Kevin M.Passino，Stephen Yurkovich. Fuzzy Control（First Edition）[M].Addison Wesley Publishing Company，1997.

[8]Kevin Gurney.An Introduction to Neural Networks[M].CRC Press，1997.

[9]易繼鍇，侯媛彬.智能控制技術[M].第二版.北京：北京工業大學出版社，2007.

[10]劉金琨.智能控制[M].第二版.北京：電子工業出版社，2009.

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關鍵詞：驗證碼；模板；實現

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2011)26-6375-02

驗證碼是論壇等網站用以阻止自動提交程序惡意行為的人機區分技術，其設計和使用直接涉及到互聯網的正常瀏覽體驗。在信息化社會這個背景下，隨互聯網IT技術的不斷發展，驗證碼的發展是非常迅速的。現在各種論壇、博客、投票等程序都帶有驗證碼功能。

目前，網絡流行的驗證碼有很多種，從人工和機器識別兩個角度分析，主要有以下4類：1）人工難以識別、機器容易識別；2）人工容易識別、機器容易識別；3）人工難以識別、機器難以識別；4）人工容易識別、機器難以識別；

驗證碼識別技術的研究，其目的就是設計并應用IV類驗證碼。但是國內實際使用的驗證碼中，尚無特別符合標準IV的實例[1]。

國內對驗證碼識別的研究較少，文獻2將神經網絡算法引入驗證碼識別技術中；文獻3提出了簡單的基于字符形狀的驗證碼識別技術；文獻4探討了一種基于外部輪廓的數字驗證碼識別方法；文獻5提出了一種加權模板的構造方案。本文以常見的直立、有雜色的驗證碼為例進行實際的識別實現，這種驗證碼圖片內的字母及數字分布均勻，圖片背景一般為純色，目前在大量論壇及網頁游戲、個人網上銀行中應用。

1 研究方法

通常驗證碼的識別需要涉及圖像處理和人工智能、模式識別、機器視覺的基本知識。圖像處理一般指針對數字圖像的某種數學處理，如投影、鈍化、銳化、細化、邊緣檢測、二值化、壓縮等等。二值化：一般圖片都是彩色的，按照逼真程度可能很多級別。為了降低計算復雜度，方便后續的處理，在不損失關鍵信息的情況下，能將圖片處理成黑白兩種顏色；細化：找出圖像的骨架，圖像線條可能是很寬的，通過細化將寬度將為1，某些地方可能大于1。不同的細化算法，可能有不同的差異，比如是否更靠近線條中間，比如是否保持聯通行等；邊緣檢測：主要是理解邊緣的概念。邊緣實際上是圖像中圖像像素屬性變化劇烈的地方。可能通過一個固定的門限值來判斷，也可能是自適應的。門限可能是圖像全局的，也可能是局部的。簡單驗證碼的識別對象如圖1所示。

其識別過程包括圖像采集、預處理、識別幾個方面，具體對應以下4個步驟：1）取出字模；2）二值化；3）計算特征；4）對照樣本。

2 技術實現

以VB6.0為開發平臺，用WebBrowser控件載入帶有簡單類型驗證碼的網頁、imagebox控件保存驗證碼圖片。使用doAuen()函數復制驗證碼圖片并保存到本地，調用doClear()、doComp()方法生成驗證碼，調用doPost()方法提交。

圖像采集過程使用for each語句遍歷WebBrowser1.Document.All，將tagName轉換為大寫字母與“IMG”匹配，以其id與驗證碼圖片匹配。Vb提供了createControlRange()方法用于非文本元素選擇區域，該方法返回一個controlRange集合，有add()方法用于添加元素，execCommand()方法用來對當前頁面或選定區域或指定區域執行命令[6]：

Set ctrl = WebBrowser1.Document.body.createControlRange()

ctrl.Add (Dov)

ctrl.execCommand ("Copy")

Dov元素為驗證碼圖片元素。execCommand 方法需要一個字符串參數指示所要進行的操作，此參數可以是任意能執行的參數關鍵字，Copy參數將選定區域復制到剪貼板。

SavePicture 語句可以從對象或與其相關的Picture 、Image控件屬性中將圖形保存到文件中，完成圖像的采集，其語法有兩個參數，第一個參數為產生圖形文件的 PictureBox 控件或Image 控件；第二個參數是文件路徑：

SavePicture Clipboard.GetData, App.Path & "\tmp.bmp"

Clipboard 類提供可以方便地與系統剪貼板相互傳輸數據的靜態方法，GetData從剪貼板檢索指定格式的數據。

動態裝載圖片的VB方法是LoadPicture()，參數為圖片文件名的全稱及路徑。對圖所示驗證碼圖片進行分析，寬度為80像素，高度為20像素，字符位置基本均勻，所以簡單地將圖片切割為4部分分別進行預處理。

圖片的預處理過程為3次遍歷：依像素對圖片進行第一次遍歷，忽視白色背景，將字符色與干擾色存入數組id，同時將顏色值出現次數存入數組nums，兩者一一對應，用一個游標參數flag指示數組長度。VB的Picture.Point(i, j)方法，可以按照像素坐標獲取位圖的顏色值。對于任一像素，如果顏色值不為16777215（白色），則從nums（0）到nums（flag）遍歷數組id進行匹配，如果顏色值不存在則將此顏色項同時添加到數組id和nums并進行相應的游標操作；如果顏色值已經存在，將其nums數組儲存的數值加1。

第二次對nums數組進行遍歷找出最大值，與其下標相同的id數組項的值即要識別的實際字符顏色；

第三次遍歷對像素采樣并進行二值化，將目標色置1，其它顏色統一置0，生成二值化數組。

遍歷預處理數組生成二值化字符串，計算特征串，最簡單的方法是去掉串頭尾的字符0。將特征串存入本地文件，每個特征串一行，并將特征串對應的字符附加到串末尾。

Vb的open語句可以操作順序、隨機以及二進制文件。打開順序文件的語法是open pathname for [Input|Output|Append] as [#]filenumber [len=buffersize]，參數表示文件名，可以包含驅動器和目錄；參數Input表示從打開的文件中讀取數據，以這種方式打開文件時，文件必須存在，否則會產生錯誤；參數As[#]filenumber 子句為打開的文件指定文件號，對文件進行讀寫操作時，要用文件號表示該文件，文件號是介于1~511之間的整數，可以是數字、變量，也可以省略不用。順序文件的按行讀取語句為Line Input #，該語句從打開的順序文件中讀取一行數據。

Open App.Path & "\list.txt" For Input As #1

Do While Not EOF(1)

Line Input #1, t

If InStr(s, Mid(t, 1, Len(t) - 1)) > 0 Then

singleC = Right(t, 1)

End If

Loop

Close #1

遍歷特征庫，如果特征串在二值化串中的子串位置大于0，即匹配成功。取出此特征串末尾的字符，即單個字符的識別結果。

3 小結

互聯網作為基礎型平臺，在提供大量信息及應用的同時，驗證碼給信息化及社會信息化帶來的影響是深遠的，它影響著用戶的體驗，影響著應用抵抗惡意攻擊的生存能力，乃至影響著整個軟件業生產方式的變化。在此背景下，研究驗證碼的自動識別、探索相關驗證碼技術，其重要性是不言而喻的?；谧址卣鞔ヅ涞尿炞C碼識別方法基本能做到100%識別率，而且特征庫小、識別速度快。其缺點是驗證碼適用對象單一，沒有涉及到專業的圖形圖像處理算法。

參考文獻：

[1] 文曉陽,高能,夏魯寧,荊繼武.高效的驗證碼識別技術與驗證碼分類思想[J].計算機工程,2009.

[2] 左保河,石曉愛,謝芳勇,等. 基于神經網絡的網絡驗證碼識別研究[J].計算機工程與科學,2009.

[3] 朱紹文,陳光喜.一種簡單的基于字符形狀的驗證碼識別技術[J].桂林電子科技大學學報,2010.

[4] 潘大夫,汪渤.一種基于外部輪廓的數字驗證碼識別方法[J].微計算機信息,2007.

篇5

摘要：本文在認識“學”與“術”和分析網絡工程專業特點的基礎上，規范了應用型本科網絡工程專業的“學”、“術”范疇，并通過課程體系和課程內容的優化以及課時的合理分配，探索一種既有“學”又有“術”、“學”“術”和諧的應用型本科專業教學模式。

關鍵詞：網絡工程；學與術；課程體系；課程內容

中圖分類號：G64

文獻標識碼：B

1對“學”與“術”的認識

基礎理論教育與應用技術教育的平衡與協調問題，可歸結為“學”與“術”的關系問題。在計算機及其相關專業的人才培養過程中，專業基礎知識即為“學”，專業技能即為“術”，“學”、“術”結合并且相互協調，才能培養出符合社會需求的應用型人才。否則，有“學”無“術”或有“術”無“學”對于應用型本科人才培養來說都是不合格的。

2網絡工程專業的“學”與“術”

2.1網絡工程的專業特點

網絡工程專業的專業編碼是080613W，屬于自然科學門類中的工學學科，其專業教學的核心內容包括網絡工程的需求與可行性分析、規劃、設計、設備選型、系統布線、組網、應用開發、測試、運營、管理等，這些內容在時間關系上反映了網絡工程的全過程。這一過程所追求的目標是以合理的性價比實現需求說明中要求的網絡設施和網絡服務，其中包括服務質量和信息安全。因此，網絡工程專業的突出特點就是它的工程性特點。

從網絡工程專業教學內容的層次看，各部分教學內容中均都包含基礎理論、基本技術以及相關協議與標準等內容，這些內容都會通過不同的網絡產品(硬件產品或軟件產品)體現出來。另外，由于網絡工程所完成的是現代信息社會中的信息基礎設施，對社會的政治、經濟、軍事、國防等領域產生重大影響，因此，還會涉及更多的法律問題。

基于以上原因，結合應用型本科教育的系統性和應用性，網絡工程專業從工程性特點出發，還會進一步細化出技術特點、管理特點、標準特點和法律特點。因此，網絡工程專業教學不僅需要基礎知識教育，更需要基本技能和工程實踐經驗的訓練，還要強調工程思想和法律意識的養成，形成合理的知識與能力結構。

2.2網絡工程專業的“學”

依據“學主知”的功能劃分，可從以下幾個方面來規范應用型本科網絡工程專業的“學”，從而構建滿足人才培養目標要求的基本理論與基礎知識體系。主要包括：工科電子信息專業本科生必須具備的基本理論和基礎知識，如高等數學、線性代數、概率論與數理統計、電路原理、模擬電子技術、數字電路等；計算機科學的基本理論與基礎知識，主要包括計算機原理與體系結構、計算機語言與翻譯系統、數據結構與程序設計、微型計算機技術、操作系統與系統管理、數據庫技術與信息處理等；計算機網絡通信基礎知識，主要包括數據通信、網絡體系結構、網絡協議、Internet以及網絡應用等；網絡工程需求分析、規劃、設計、施工、管理和維護的基本知識和相關標準；綜合布線系統的設計、施工、測試和維護的基本知識和相關標準；計算機網絡管理、維護以及網絡安全的基本知識和相關標準；網絡應用開發的基礎知識，主要包括網絡程序設計、多媒體信息處理技術、網絡數據庫技術、網站設計等；相關法律、法規以及具體案例等。

2.3網絡工程專業的“術”

依據“術主行”的功能劃分，可從以下幾個方面來規范應用型本科網絡工程專業的“術”，從而構建滿足人才培養目標要求的專業技術能力。主要包括計算機系統(軟件、硬件和常用外部設備)熟練的操作和一定的維護能力；計算機設備和網絡設備的管理能力；計算機網絡系統的設計、施工、維護能力；綜合布線(計算機網絡、通訊、安防)系統的設計、施工、維護能力；網絡系統的性能分析能力；網絡服務的配置與管理能力；一定程度的互聯網絡系統安全防范與跟蹤分析能力；網絡應用系統的開發能力等。

3專業教學中的“學”“術”和諧

網絡工程專業人才培養過程中的“學”與“術”和諧，可從課程體系、課程內容、課時分配、理論與實踐、考核體系等五個方面來考慮。

3.1課程體系和諧

根據網絡工程的特點，參考網絡工程人才的職業需求和國家相關職業資格要求，網絡工程專業的課程體系可按公共基礎課、專業基礎課、專業方向課和拓展課程四個層次來構建，課程內容既要涵蓋網絡工程的基本內容，更要區別于社會上的職業培訓，在強調基礎理論和系統性的同時，突顯專業的應用型特點。

(1) 公共基礎課

與計算機科學與技術等其他工科電子信息類專業相似，可在優化課程內容的基礎上與其他專業使用相同的教學平臺。

(2) 專業基礎課

專業基礎課主要分為計算機基礎、網絡通信基礎、計算機網絡基礎和技術平臺四大模塊。其中計算機基礎模塊主要包括計算機組成原理與體系結構、數據結構、操作系統原理、面向過程/面向對象程序設計、數據庫原理、多媒體技術與應用、軟件工程概論等軟硬件基礎內容，并通過強化實踐環節，訓練基本的計算機應用和操作能力；網絡通信模塊主要包括數據通信原理、網絡交換技術等內容；計算機網絡基礎模塊主要包括計算機網絡原理(層次結構模型與協議集)、TCP/IP協議集與Internet技術等網絡基礎內容，幫助學生建立網絡體系結構和網絡協議的基本概念，了解常用的網絡協議，掌握計算機網絡以及網絡互聯的基礎知識，初步形成“按標準/協議/規程學習網絡技術、規劃網絡系統、管理網絡設施、開發網絡應用”等規范意識；技術平臺模塊目前可選擇基于MS Windows系統的.net平臺和Linux環境下的Java平臺，內容主要包括網絡功能與性能介紹、安裝與使用、開發工具等。四個模塊的有機結合，可構成網絡規劃、設計、管理、開發、應用、維護等網絡工程各環節的專業基礎。

(3) 專業方向課

專業方向課主要分為網絡規劃與設計、網絡管理與安全、網絡應用系統開發三大模塊。每個模塊可選擇一種主流平臺(.net/Java)作為技術支撐，各模塊中的主要課程將以此平臺為基礎，構成專業方向所需的知識框架。其中后兩個模塊與技術平臺有非常密切的關系，因此，必須首先掌握相應的平臺技術。

1) 網絡規劃與設計

網絡規劃與設計模塊主要包括網絡工程技術、結構化綜合布線、現代交換技術、網絡設備的互聯與調試等內容，主要向學生介紹網絡系統的規劃設計原則、設計方法、工程實施方法，網絡產品的技術性能、功能以及配置技術，結構化綜合布線的基本知識、布線標準、傳輸介質的選擇方法以及施工、測試、驗收等諸多環節。使學生在掌握網絡規劃設計的基本概念、思想、方法的基礎上，形成覆蓋“規劃設計選型施工測試驗收使用管理維護”網絡工程全過程的技術能力。

2) 網絡管理與安全

網絡管理與安全模塊主要包括網絡操作系統(Windows/Linux)、計算機網絡安全、網絡管理與維護、協議分析與跟蹤技術、入侵檢測技術、網絡仿真技術與性能分析等內容。其中網絡管理與維護課程，重點介紹網絡管理的基本原理、網絡管理平臺、網絡管理標準等更高層的管理技術，超越操作系統中簡單的用戶管理和權限管理內容。這些內容的有機結合，能夠幫助學生建立網絡管理和網絡安全的基本概念和思想，掌握幾種具體的安全防范技術和網絡性能分析技術。

除了對網絡功能、性能、安全等技術性管理和維護外，網絡管理還包括對網絡工作人員的管理和網絡資源的管理，因此，可根據實際情況添加資源管理和網絡運營管理方面的內容。

3) 網絡應用系統開發

網絡應用系統開發模塊主要包括兩方面的技術內容，一方面是基于C/S結構的各類網絡應用開發技術，另一方面是基于B/S結構的各類Web網站開發技術。因此，主要課程包括網絡數據庫技術、網絡通信程序設計、網站的規劃與設計、多媒體信息處理技術等。

4) 拓展課程

拓展課程主要可考慮以下幾方面內容，一是新技術課程，如NGN/NGI技術，網格技術，移動多媒體網絡技術，P2P技術、全光網絡技術，多媒體網絡技術等；二是與應用方向相關的課程，如網絡游戲開發方向的游戲創意和美工處理，網站管理方向的網絡運營課程等；三是研究性、方法類課程以及其他需要拓展的課程，如MATLAB應用編程、神經網絡模型等。拓展課程將更好的匹配各類學生(考研、網絡設計、應用開發、網絡管理、網站運營等)的特殊需求。

3.2課程內容和諧

課程內容的和諧是課程體系和諧的基礎，目前，大多數應用型本科的網絡工程專業都是簡單采用與計算機科學與技術、軟件工程等專業完全相同或相近課程設置，課程內容完全相同。這樣，在總課時的限制下，就無法開設所需的專業課程，不僅如此，還導致課程之間的嚴重重復、關系不明等問題。從專業發展的長遠角度看，必須按照專業需求來優化改革課程內容，具體可從以下幾個方面來優化：

1) 原有課程之間的內容整合；

2) 新課程的內容規范；

3) 各門課程中理論教學與實踐教學內容的優化；

4) 各門課程中工程化思想的體現；

5) 新技術的融入。

通過課程內容優化，在減少不必要重復的基礎上，進一步明確各課程的知識范疇和技能架構，平衡課程內部的“學”與“術”，同時將相近課程合并形成新的課程。比如，原來沿用計算機科學與技術專業的“計算機組成原理”和“計算機體系結構”課程，就可以整合為“計算機原理與體系結構”一門課程；原來的“匯編語言”和“微型計算機技術”可以整合成新的“微型計算機技術”一門課，這樣，所節省的課時可以開設必須的專業課程。

3.3課時分配和諧

課時分配包括以下四個層面：一是課程內部理論教學與實驗教學的課時分配，參照教高〔2007〕2號文件中“實踐教學環節累計學時一般不少于總學時的25%”的基本要求，合理規劃專業基礎課和專業課的理論教學課時與實驗教學課時比例，在實驗條件允許的前提下，盡可能提高實驗教學的課時比例，給學生創造更多的實驗和技能訓練機會；二是不同課程的課時分配，在課程內容重組整合后，適當調整所需課時數，使得課程內容與教學課時相適應；三是各類課程之間的課時分配，這是一組統計數字，主要用來衡量不同角度的課時統計數據是否平衡、協調，比如按照公共基礎課、專業基礎課、專業方向課以及拓展課程方式統計的課時分布，或者按照必修課、限選課、任選課方式統計的課時分布等；四是列入教學計劃的實踐環節的課時分配，比如專業實習、畢業實習、畢業設計等的課時分配，至少達到教育部“累計學時一般不少于總學時的25%”的基本要求。

3.4理論與實踐和諧

要做到網絡工程專業的“學”、“術”和諧，強化實驗教學和實踐環節是非常重要的，它是為學生提供操作技能和工程實踐的主要途徑。首先要在課程內容中加強實驗內容，在一般性實驗的基礎上增加系統設計、規劃、分析方面的實驗；其次是加強實驗指導，提高實驗教學的有效性；第三是建設統一、規范、能適應課程體系需要的實驗教學環境和網絡應用開發平臺，提供相應的實驗能力和網絡應用開發能力(網絡游戲開發、移動智能應用開發、企業級Web網站開發等)；第四是通過實踐強化工程意識培養，主要包括任務意識、規范意識、質量意識、期限意識、組織意識、協調意識、合作意識、折中意識等諸多內容，在規范課程體系和優化課程內容的過程中將加強各類協議、標準和相關工程意識的教學內容，更要在實踐環節中突出各類協議、標準在網絡工程中的地位和作用，從而培養學生的工程化意識。

3.5考核體系和諧

改革傳統的筆試考核方式，增加實驗單元考核、實踐單元考核、綜合設計考核等考核方式，分散考核時間，把考核融入教學過程中，形成與專業基礎理論與專業應用技術要求相適應的考核體系。

4結語

“學”與“術”的協調與平衡是高等院校專業建設與專業教學過程中的關鍵問題之一，應用型本科院校的網絡工程專業應該在“學術并舉、崇術為上”[5]的理念指導下處理專業建設中的“學”“術”協調問題。在專業建設過程中，首先要在課程體系和課程內容方面做到“學”“術”協調，在教學環節設置以及具體的教學過程中，更要考慮“學”“術”協調理念的實施與落實，使得專業基礎理論與應用技術之間能夠和諧相長。

參考文獻

[1] 王達. 網絡工程師必讀―網絡工程基礎[M]. 北京:電子工業出版社,2006:1-23.

[2] 楊帆. 應用型本科網絡工程專業的課程體系建設[C]. 大學計算機基礎課程報告論壇論文集2006,高等教育出版社,2006:107-111.

篇6

【關鍵詞】生物工程專業;試驗設計與數據處理;教學對策

作為地方本科院校,將教學目標定位于培養應用型人才,是提高學校競爭力、突出辦學特色的關鍵。南陽理工學院生物工程專業立足于自身教學條件,積極將培養模式與南陽地區經濟特點相結合,緊密圍繞南陽市支柱產業——生物制藥和工業發酵,發展工業微生物菌種選育、發酵工藝調控和中藥材藥用成分提取分離為主攻方向的專業特色。畢業生主要在科研開發、生產監控、質量檢測等方向就業,工作中經常涉及到工藝控制、過程優化模擬、質量檢測控制等問題。對于這些實際問題若不進行科學的試驗方案設計和數據結果分析,將很難在短時間、低成本內得到正確的結果。因此,有必要對生物工程專業學生開設相關課程。

試驗設計與數據處理是一門應用領域相當寬廣的現代技術課程,主要介紹工程技術和科研試驗中常用的試驗設計與數據處理方法。通過對本課程的學習,學生能夠掌握試驗設計和數據處理的基本原理和方法,為后續教學環節如專業試驗、畢業論文和今后在工作中開展產品工藝優化、質量管理等工作的順利進行打下良好基礎。該門課程教學內容主要包括2個方面:試驗設計和數據處理。試驗設計部分主要是讓學生掌握設計試驗的方法,能做到在有限的試驗條件下,用最少的試驗量獲得盡可能多的信息;數據處理部分主要是讓學生學會對實驗結果采用合理、有效的分析方法,從而發掘出潛在的、有用的信息[1]。

為了提高試驗設計與數據處理的教學質量,培養學生的學習興趣,增強學生應用的能力,筆者對試驗設計與數據處理的教學研究做了很多努力和嘗試,現將幾點教學心得體會歸納如下。

1講好緒論,強調課程的重要性

緒論就像是一部電影的開場,直接影響著整門課程的教學效果,好的開場才能吸引學生的注意力,激發其學習興趣。試驗設計與數據處理是統計學在生物領域的應用,是一門應用技術學科,在緒論中不僅要介紹學科發展的歷史,還應該清晰展示課程的內容體系及本門課的任務和作用,重點介紹要學習什么、知識點之間有什么聯系、這些知識可以幫助解決什么問題、該如何學習等。在緒論中應多列舉一些利用本門課程的知識解決實際問題的例子來強調本門課程的重要性,如在畢業實踐環節,將試驗設計和數據分析的知識用于畢業論文的設計和撰寫中,以求論文結構的系統性和試驗結果的科學性。在走向科研工作崗位后,利用試驗設計和數據分析的知識合理設計科研方案、分析結果,以求在低成本、短時間內完成任務。通過這些例子來明確學生的學習目的,激發其學習興趣。

2重在培養應用能力

應用性本科培養的是運用科學理論從事高技術工作的應用型專門人才,在培養規格上以行業需求為本位,注重知識的復合性、現時性和應用性。培養出的人才應具備綜合運用理論知識和方法解決實際問題的綜合能力和實踐能力,并兼備技術創新能力[2]。因此,在教學內容組織和知識側重點的處理上應以結合專業特色、適應行業需要為主旨。試驗設計與數據處理是以統計學原理為基礎的學科,其原理部分涉及到高等數學、概率論和線性代數的知識,這部分內容在基礎課程中已有詳細講述。因此,教學重點放在各種試驗設計方法和數據處理方法的具體應用上,而方法的理論推導過程可以作為學生自學內容。如講解方差分析時,將重點放在方差分析的具體步驟上,而偏差平方和分解過程的推導則作為自學內容;在正交試驗設計及分析部分,教學側重點主要放在如何使用正交表及如何對正交試驗結果作恰當的分析上,而對于正交表的構成原理、特點僅作簡要介紹。

3選擇合適的例題,做到熟能生巧

試驗設計與數據處理的應用領域非常廣泛,不僅用于生物,還應用于化工、食品、機械加工制造等領域。為了讓學生正確理解和掌握知識,在舉例說明時應選擇試驗設計與數據處理在本學科的應用實例。面向生物工程專業的學生時,結合生物工程專業的特色,主要從菌種選育條件、發酵工藝控制、目標產物分離等方面選擇相應的例子,最好是專業試驗或科研中的真實問題,如淀粉酶產生菌選育方案的設計、乳酸發酵條件的確定、茶多酚提取工藝的優化,這有助于學生了解本門課的應用領域,激發學生學習本課程的興趣,調動學生的積極性和主動性。

對于應用技術學科,關鍵是能將書本上的知識應用自如。對于試驗方案設計方法,如正交試驗設計、均勻試驗設計、回歸旋轉試驗設計、sn比試驗設計等方法,要求能夠根據試驗周期的長短、原料易得性、條件控制難易、待考察因素水平的數量等實際情況,選擇合理可行的試驗方案設計(下轉第33頁)

(上接第31頁)

方法。對于所得數據結果,要求能夠采用正確的分析方法,發掘出有用的信息。數據分析方法部分有很多公式,如偏差平方和的分解公式、回歸系數的求解公式等,若要做到靈活運用課程的知識,就必須加強公式的記憶,因此多做練習是必要的。雖然現在有很多軟件能解決計算問題,但是還要求學生掌握各種分析方法的分析過程,這些都需要在教學中安排一定的練習量,使學生熟能生巧。

4把握前沿知識,擴展學生視野

試驗設計與數據分析的方法種類多樣,在本科教學階段主要要求學生掌握單因素試驗設計、正交試驗設計和均勻試驗設計等方案設計方法,極差分析、方差分析和回歸分析等數據分析方法。這些內容是本門課程的基本內容,但并不是本學科的全部知識。為了讓學生充分認識本學科的重要性,可以在教學學時允許條件下,補充知識點,開拓學生的視野。如向學生介紹旋轉試驗設計及其分析方法,指出它的作用和優勢;對于解決多指標問題的試驗設計和分析時引入主成分分析方法的知識[3];在對回歸方程求解最優解時引入遺傳算法的理論[4];對于試驗問題建模分析時引入神經網絡建模方法[5]。這些試驗設計和分析方法很多都是近幾年才應用到生物工程領域的,在要求學生牢固掌握基本知識的前提下,引入前沿知識有助于拓寬知識面,在今后的學習和工作中能更好地發揮學生的能動性。

5重視上機環節

試驗數據的處理計算量很大,完全依靠手算既浪費時間又容易出錯。而現在有多種軟件,它們可以對數據作各種分析,并能夠在短時間內得到準確的結果。因此,應重視上機環節,要求學生至少掌握1種統計軟件的使用方法,學會用軟件繪圖、計算,并能正確理解分析結果。例如spss是一個功能全面的統計分析軟件,操作界面友好,易學易用,廣泛應用于自然科學、社會科學領域[6]。在教學過程中安排適當學時進行上機操作,要求學生能夠使用軟件進行平均數假設檢驗、方差分析、多重比較、回歸分析等操作,不僅能增強知識的掌握程度,還可以激發學生的學習興趣,獲得良好的教學效果。

6參考文獻

[1] 薛剛,郭書賢.優化試驗設計及統計分析法[m].武漢:湖北人民出版社,2004.

[2] 徐理勤,顧建民.應用型本科人才培養模式及其運行條件探討[j].高教探索,2007(2):57-60.

[3] 曹定華.多元分析基礎[m].北京:科學出版社,2001.

[4] 雷英杰,張善文,李續武,等.matlab遺傳算法工具箱及其應用[m].西安:西安電子科技大學出版社,2005.

篇7

【關鍵詞】民族院校 高等數學 教學改革

【基金項目】寧夏回族自治區高等學校教育教學改革項目：《神經網絡計算》專題研究型教學模式探索與實踐（寧教高[2012]348號）]。 【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）12-0154-02

高等數學是教育部指定的理工科專業核心課程之一，是理工科學生一門最重要的專業基礎課，也是教育部本科合格教學水平評估的主要基礎課之一。然而，隨著大學的擴招，各高校學生人數驟增，生師比嚴重失衡，未能維持在合理水平。一方面，純理論性、市場需求小的專業就業低靡，就業困難，知識無用論思想在學校內廣泛傳播。另一方面，后續專業課的學習及碩士研究生考試對高等數學的要求越來越高。近年來，許多從事高等數學教育的工作者在高等數學教學改革中作了很多探討，但效果不是很好。尤其一些民族類本科院校，生源主要是少數民族學生，學生基礎較差，同時有部分教師教學方法和手段陳舊，精英教育的傳統教學方式基本沒有改變，這一切都難以滿足民族類院校各學科的良性發展及實踐對數學的要求。因此，我們有必要重新思考教學方法和手段，以提高高等數學的教學質量和效果[1]-[4]。

1.對更新教學理念的思考

高等數學是民族類院校大多數專業學生的一門必修的專業基礎理論課，通過本課程的學習，使學生掌握函數的微積分學、級數與無窮級數、概率論與數理統計、向量代數與空間解析幾何等方面的基本概念、理論與方法，為學生學習后續專業課程打下良好的數學基礎。但對于民族類院校而言，面對生源主要是少數民族學生的現實，生源綜合素質不高，要求我們必須有針對性地對高等數學課程進行必要的教學改革，緊密地結合他們所學的專業，同時必須考慮學生接受新知識的愿望，有選擇性地講授最基本、最實用、最重要的數學知識。

2.對改革教學內容的思考

必須充分了解民族院校學生的特點：數學基礎總體比較差；邏輯思維能力不強、抽象能力比較弱；大多數少數民族學生對高等數學的學習缺乏信心；但形象、發散思維能力較強，善長于記憶和閱讀?；诖苏J識，在高等數學教學中應貫穿如下教學原則。

（1）理論和實際相結合原則。高等數學，不僅是理論研究的成果，也是生活中普遍適用的手段和工具。對于某些數學知識，要突出他們的實際背景，要結合具體問題的例子讓學生感受到高等數學的工具性，領悟到學習高等數學的必要性。

（2）具體與抽象相結合原則。在教學中充分發揮民族院校學生形象思維比較強的特點，盡量使用形象、直觀的材料，幫助學生理解高等數學的本質。

（3）嚴謹性與適應性相結合原則。針對民族類院校學生的特點，教師應考慮學生的基礎知識、思維水平、接受能力、理解能力，逐步培養學生的邏輯思維能力。

3.對改善教學方法的思考

傳統的教學方法，形式單一、內容呆板，改革后，高等數學的教學應該增加課堂教學的趣味性，采用啟發式、研討式、互動式等各種教學方法的綜合使用。下面是對教學方法的幾點建議：

（1）學期開始前授課教師應對所教班級學生的數學水平有一個比較全面的了解，以便全面客觀地了解學生數學知識的強弱，掌握學生分析解決問題的能力。針對學生高中數學基礎參差不齊，總體水平較差的狀況，學校和教師要針對不同的學生類型，采用分層指導的教學手段，記錄每個學生的學習困難和發展進步過程。積極主動地培養學生學習高等數學的興趣。

（2）由于高等數學知識的系統性、科學性較強，新老知識之間有著密不可分的聯系，因此啟發式教學在高等數學教學中有著十分重要的作用。特別是對民族院校學生而言，他們往往自信心不足，缺乏學習的熱情，所以在高等數學教學過程中一定要注意教學的啟發性，讓學生積極參與到教學中來。因此，在教學活動中，應通過復習舊知識來建立新知識體系，綜合已經講授過的相關概念，揭示新舊知識之間的內部聯系，引導學生比較新舊知識的本質特點，發現它們之間的異同之處。激起學生的求知欲望與學習興趣，從而易于掌握領悟新知識。

（3）當前民族院校學生各方面的能力差距比較大，現在的高等數學教學很難滿足不同類型學生的學習需要。采用分層教學方法就可以針對學生的個體差異，按學生的不同水平實施不同的教學方法。對基礎較好的學生，教師上課時應適當延伸知識點，滿足學生的求知欲望；對基礎較差的學生，應合理調整教學內容，讓這一部分學生掌握必須的基本知識。這樣使不同知識水平的學生都能很好地在課堂上獲得知識滿足，使其得到發展和提高。

4.對改革評價體系的思考

在評價學生學習成績時，可以將學生的終評分成兩大塊：平時表現成績和期末考試卷面成績。平時表現成績主要從作業是否按質按量完成、是否按時上課、課堂表現是否活躍等方面對學生進行綜合考核。而期末考試可以通過“基礎知識+實際應用能力”測試的方法?；A知識采取閉卷筆試形式， 成績占總成績的 50%。這部分考核可由任課教師評閱。實際應用能力測試主要考核學生運用高等數學知識解決實際問題的能力， 該部分成績占總成績的50%。這種的考核方式既能有效地評價學生掌握高等數學知識及實際應用的情況， 還能為素質高、能力強的學生提供一個展示自我的平臺， 又能有效糾正考試前臨時突擊學習等現象[5]。

參考文獻：

[1]閔蘭，陳曉敏.高等數學教學改革的幾點思考[J].西南師范大學學報，2012（2）：139- 141.

[2]羅金炎.應用教學型本科數學實踐課程教學模式探討[J].長春理工大學學報，2010（8）.

[3]李路，趙德鈞.大學數學分級教學的思考與教學[J].大學教育，2012，（8）：100.

[4]余桂東，張紅梅.普通本科院校文科專業《高等數學》教學實踐[J].安慶師范學院學報，2012（2）：115- 118.

[5]楊霞，倪科社，王學鋒.積極開展數學實踐教學活動，培養學生創新意識與實踐能力[J].大學數學，2010（10）.

篇8

關鍵詞：實踐教學體系；課程實驗；課程設計；專業實習；畢業設計

中圖分類號：G64 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913(2007)11-0025-03

引言

計算機科學與技術專業是一個理論與實踐并重的專業，具有很強的實踐性。在教學計劃以及課程設置中應突出實踐性教學環節在整個人才培養計劃中的重要地位。在教學過程中，應把培養學生的實踐能力、動手能力作為一個關鍵的環節?？茖W合理地設計實踐教學體系，一方面有利于提高學生的計算機操作能力、工程設計能力、科學研究能力、社會實踐能力、專業知識的綜合運用能力及創新能力，另一方面更能激發學生的專業學習熱情，提高學生對計算機專業知識學習和應用的興趣。實踐教學和課堂理論教學相輔相成，實踐教學是課堂教學的補充和延伸，二者缺一不可。

目前，許多高校在計算機專業人才的培養上存在重理論、輕實踐的傾向，出現了計算機專業的畢業生眼高手低的現象。在參加實際工作之后，面對簡單的軟、硬件問題，束手無策。如何進一步提高學生的實踐動手能力，是擺在高校計算機專業人才培養方面的一個重要課題。

1拓寬視野更新觀念，重新認識實踐教學，建立完善的實踐教學體系

要充分認識實踐教學在人才培養中的重要地位。應把傳統意義下的實驗教學擴充為實踐教學體系，在專業培養計劃中建立完善的實踐教學體系，逐步形成基本實踐操作技能、專業應用技能與綜合實踐能力有機結合的實踐教學體系，在實踐教學過程中，通過建立實踐教學質量標準體系和質量控制體系，認真做好學生平時實踐和實習管理，建立課程實驗、課程設計、畢業設計(論文)等實踐教學環節的量化考核標準。完善的實踐教學體系應當包括：課程實驗、課程設計、專業實習、畢業設計(論文)等幾個方面。

1.1課程實驗

課程實驗是加強計算機專業人才培養質量的重頭戲，計算機專業的學生除了具有扎實的專業理論基礎外，還要有良好的科學實驗技能和素質。隨著計算機技術的迅猛發展及社會各界對計算機人才的要求，課程實驗的內容要不斷更新，實驗水平要不斷提高。及時地把新技術、新方法及新設備反映到課程實驗教學中來，使實驗教學與當前計算機軟硬件技術的發展緊密相連，并通過各種不同類型的實驗，培養學生實驗技能，提高學生的實踐動手能力。制定好專業總體的課程實驗教學目標，是培養和提高學生動手能力的關鍵，而課程實驗教學的總體目標的實現是通過階段性實驗教學目標的實現來完成的。階段性實驗教學目標就是每一門課的實驗教學目標，通過一個個的目標驅動來實現實驗教學的總體目標。在實驗教學目標制定上要注重學生的實踐動手能力的提高和創新設計能力的培養，實現師生在課程實驗教學中互動。學生通過自己的努力一旦完成了各項目標，在學習中就會有一種成就感，更進一步激發學生的學習熱情，增強學生的學習動力。計算機專業的課程實驗教學的不同類型包括：公共基礎系列實驗：普通物理實驗、計算機基本操作實驗；基礎理論系列實驗：數值分析實驗、算法設計及分析實驗；軟件技術系列實驗：匯編語言程序設計、高級語言程序設計、面向對象程序設計、數據結構、編譯原理、操作系統、數據庫原理、多媒體技術和軟件工程實驗；硬件技術系列實驗：電路分析、模擬電子技術、數字電路、計算機組成原理、單片機應用、計算機接口技術實驗；網絡技術系列實驗：通信原理、計算機組網技術、網絡操作系統、網絡設備集成、網站建設與維護技術等實驗。

總之，通過開設各種不同類型的課程實驗，循序漸進地提高學生的實踐動手能力，培養學生的創新能力，從而完成課程實驗教學的總體目標。

1.2課程設計

課程設計屬于綜合性創新實驗，在整個課程的課堂理論教學和課程實驗完成后，根據課程的特點和內容設計出綜合整個課程的創新實驗。一般地講，這類實驗也就是大作業，通常在教師的指導下學生利用業余時間獨立完成。比如高級語言程序設計、數據結構、數據庫原理、編譯原理、操作系統、軟件工程等課程都需要進行課程設計。通過課程設計可以培養學生運用該門課程的專業知識去分析和解決實際問題的能力以及對專業知識的綜合應用能力，在整個實踐教學體系中占有非常重要的地位。

1.3專業實習

隨著計算機及其網絡的廣泛應用，它已在各行各業中發揮著越來越重要的作用?？紤]到計算機應用的廣泛性，有選擇地把能反映出當前計算機最高應用水平的企業、學校、行政事業單位作為專業實習基地，結合課程教學定期安排組織學生到實習基地實習。讓學生帶著任務參加實習活動，每次實習都要求學生寫出實習報告，總結實習后的收獲體會，鼓勵學生和實習基地建立長期合作關系。通過實習一方面讓學生更深入了解計算機的應用發展狀況，增長學生的見識，拓寬專業知識面，可以學到很多課本以外的知識，另一方面也給學生提供了更多認知社會、融入社會的機會，同時也為學生明確專業學習目的和提高實踐動手能力確立了努力的方向。實習基地建設的面要廣，充分體現計算機的各種應用，如：計算機經銷公司及售后維修站；計算機及其相關設備的自動化生產企業；網站及網絡工程公司；軟件銷售公司；軟件開發公司；郵電、通信公司；政府機關；建筑工程設計院；金融機構等。

1.4畢業設計(論文)

畢業設計(論文)實踐環節是完成教學計劃達到計算機專業培養目標的重要環節，是教學計劃中綜合性最強的實踐教學環節，它對培養學生的思想、工作作風以及處理實際問題能力、提高畢業生全面素質具有很重要的意義。是對學生綜合應用所學專業知識解決實際問題能力的檢驗，通過畢業設計(論文)使學生能夠掌握文獻檢索、資料查詢的基本方法和獲取新知識的能力；掌握軟硬件或應用系統的設計開發能力；提高書面和口頭表達能力；提高協作配合工作的能力。

2 加強和完善實踐教學體系建設的有效途徑

2.1大力宣傳培養學生實踐能力的重要性

計算機實踐教學是計算機課程的重要環節， 學好計算機僅靠理論知識是不夠的，課堂講授是使學生掌握計算機的基本知識和基本技能，而計算機實踐教學的目的是要通過實際操作將所學到的知識付諸實際，是課堂教學的延伸和補充。是培養學生實踐能力的主要手段。大學學習期間，學生處于從書本學習到提高能力的轉型過程中，需盡早向學生介紹清楚社會需求與個人期望的差異，使學生樹立正確的學習理念，掃清提高學生實踐能力的思想障礙，變“要我學”為“我要學”。

2.2加強和重視實踐教學師資隊伍建設

學校要重視實踐教學師資隊伍建設，為了培養應用型的人才，學校要特別注重教師綜合素質的提高和知識的更新。為此，不僅要選派教師到名牌大學和科研機構進修學習，提高其專業素質，而且要選派優秀的教師到企業中去更新知識，去學習企業的管理，了解企業對畢業生知識、能力、素質的確切要求，以便修改培養方案，建設合理的實踐教學體系。要鼓勵教師去跟蹤當前最新技術，與企業合作搞項目。學校還可以聘請企業中的技術人員作為兼職教師或來校進行學術交流。這樣才能保證師資隊伍的知識更新，適應計算機新技術的飛速發展要求。

2.3教學中注重學生實踐能力的培養

在課堂教學方面，專業課可以全部采用多媒體進行講解，除了能擴大課堂教學的信息量，利用計算機實際工作環境演示各種操作外，也可對實驗結果進行案例分析，現場進行點評。還模擬某些經常發生或不易發現的語法和邏輯錯誤，進行現場分析與排查，培養學生的應變能力。

在實驗課教學方面，除完成經典課程的實驗教學外，增設部分以實用技術實驗為主的選修課程，如計算機網絡工程、Web技術、多媒體技術等，通過這種方式提高學生在實踐中應用所學知識的能力，以更好地適應當今社會對人才的需求。

2.4組織學生進行豐富的課余活動

大學生比中學生有著更多的自由支配的時間，利用好這些時間是大學教育取得成功的基本條件，由于慣性和自制力弱的原因，許多學生面對這些時間茫然不知所措，陷入網吧、游戲中不能自拔。因此，應寓教于樂，做好課余活動組織、引導工作。如鼓勵學生設立自己的主頁，條件允許時建設學生自行管理的網站；指導學生組織計算機咨詢、維修小組，在開展計算機各項服務的同時，提高學生自身的實踐能力；適時組織一些程序設計競賽、網頁設計競賽、小發明和小制作等科技活動；引導學生組織興趣小組，對自己感興趣的方向展開研究，提高學生的創新能力。

2.5強化實驗室管理，提高實驗室和儀器設備的利用率

要想真正發揮實踐教學活動在人才培養中的作用，必須強化實驗室管理。在實驗室的管理模式上，要大膽創新，要充分利用現有設備，開放實驗室，擺脫傳統封閉式的實驗教學時空觀的束縛。實驗室開放主要解決學生選課與實驗時間沖突的矛盾和嘗試由學生自定實驗課題、選擇儀器設備、制定實驗方案、處理和分析實驗結果，用以培養學生的基礎實驗能力、綜合實驗能力和科研能力。為此，可考慮為實驗室配備專職實驗教師。

2.6選擇適當的實踐教學成績考核方式

考試的方法和內容對于學生的學習具有非常重要的導向性，以選擇題為主的客觀性考試方法雖然操作方便、教師閱卷工作量小，但容易導致“應試教育”和“應試學習”；對于部分實踐性強的課程，傳統的筆試也很難真正反映出學生的實踐能力；對于一些設計型課程，可考慮采用現場操作考核方式，使學生充分重視實踐能力的訓練。在學生獨立完成設計任務后，教師應予以及時的考核，考核的標準直接體現教師對學生的能力要求。為了體現能力和創造性的培養目標，以使用基本操作實現任務為基本要求，有使用技巧和創新的予以加分的方式鼓勵學生發揮最大能力去提高設計水平，在每一次的實踐中逐步提高設計能力和創造力。在評價設計結果的同時向學生提問一些設計思路或設計過程的問題，也可以在給學生說明給予評價等級的理由，解釋學生設計的成功之處和待改進之處，有時可以允許學生改進設計任務并予以重新評價，相信對學生的設計思路有一定的啟發作用。當然，這還需要在教學管理體制上進行相應的改革，使教師、學生能積極地探索各種有效的考核方法。

3結束語

總之，實踐教學體系建設是個系統工程，要想真正發揮實踐教學活動的作用，這不僅需要教師和學生的努力，也需要學生管理、教學管理、設備和后勤保障等部門的支持，在全體教職員工的努力下，才能培養出滿足社會需求的專業人才。實現我們的培養目標還任重而道遠。

參考文獻

[1]王志英.實踐教學：計算機人才培養的重頭戲[J].計算機教育，2004，(9).

[2]李陽，張陵．理論和實踐相融合的基礎課程教學新體系[J].中國大學教育，2004，(9).

[3]秦鋒.一般工科院校計算機專業教學改革研究與實踐[J].安徽工業大學學報，2003，20(1).

[4]曲學樓.改革計算機實驗教學提高實驗課教學質量[J]．高教研究與實踐，2004.

篇9

關鍵詞：機械振動；信號采集；測試系統；數據處理

0引言

振動，是機械設備所具有的基本特性，也是評判機械設備運行狀況的綜合性指標。設備的磨損量隨著運行時間的增長而不斷增加，不斷增加的運行間隙使得設備的振動烈度持續增大，根據振動測試便可得知設備運行的狀態。而在高校機械類專業的教學過程中，教學實驗是學生最直觀地了解知識的過程，也是學生最直接地運用所學知識去解決問題的過程，對于提升教學效果有著十分重要的作用。

1實驗目的及實驗內容

1.1實驗目的

（1）觀察機械設備的振動現象，掌握機械設備發生振動的機理，了解振動測試對于診斷機械設備故障的意義。（2）學習機械設備振動測試的方法，掌握振動測試系統的組成，了解振動信號測量的基本原理。（3）了解信號采集的基本知識，掌握一種信號采集的技能，學習振動測試數據的處理方法。（4）學習壓電式傳感器、電荷放大器、數據采集卡、數據采集軟件、激光振動測量儀的使用方法，了解壓電式傳感器、激光振動測量儀的基本原理。

1.2實驗內容

（1）根據實驗目的，教師進行相關知識的拓展講解，使學生掌握本實驗應具備的相關知識，講解內容如下：a機械振動的相關知識：通過講解，學生可以了解機械設備發生振動的機理，了解振動對于判斷機械設備運行狀態的意義。b振動測試的相關知識：通過講解，學生可以了解振動測試的方法，掌握測試指標的選擇原則，了解振動信號測量的基本原理。c信號采集的相關知識：通過講解，學生可以了解信號采集的基本原理，學習信號采集的相關理論，掌握信號采集系統的基本構成和采集方法。d數據處理的相關知識：通過講解，學生可以了解振動信號數據處理的相關方法，掌握數據處理的基本流程。e電動機使用注意事項：通過講解，學生可以了解基本的安全用電常識，掌握電動機使用的相關注意事項，在自我保護的同時保護教學設備的安全。f壓電式傳感器的知識：通過講解，學生可以了解壓電式傳感器的組成、工作原理，掌握傳感器的使用方法，了解其應用領域。g電荷放大器相關知識：通過講解，學生可以了解電荷放大器的作用，掌握其使用方法。h數據采集卡相關知識：通過講解，學生可以了解數據采集卡的工作原理，掌握其使用方法。（2）為了提高學生的動手實踐能力，培養其工程素養，將學生分為幾個小組，給出小組討論時間，讓其自主的討論、學習實驗儀器的使用。具體包括。a壓電式傳感器的接線與布置，電荷放大器的具體操作，數據采集卡的接線操作，數據采集軟件以及激光振動測量儀的具體使用。b練習振動測試系統的搭建。（3）在實驗教師的指導下，學生搭建正式的實驗系統，并啟動電動機，完成振動信號的采集工作。（4）振動測試工作完畢后，在實驗教師的指導下，學生完成振動測試系統的拆除工作，將相應儀器設備做好保養后放置于指定位置。

2實驗原理及實驗系統

2.1實驗原理

機械設備所包含的一切活動，包括沖擊運動、往復運動、回轉運動，均可作為激勵源。設備在激勵源的作用下產生振動現象，振動沿著設備從內部向外部傳播。待到達設備表面時，機械振動擾動空氣產生聲波。采集并分析這些聲音信號及振動信號，就能對機械設備及其運行狀況作出相應的評判。激勵源是機械設備產生振動的根本。在主動式測量中應采用激振器對被測試設備進行施振，由于施振特性是已知的，便可據此分析被測試設備的振動狀態。而對于大型設備（例如大型柴油機），不便于對被測設備施加主動式測量，則可以針對設備自身工作時所產生的振動進行測試，從而分析被測試設備的振動特性、判斷其運行狀態。相關研究表明，機械設備的振動頻率范圍一般為10Hz~10000Hz，因此可將振動速度作為被測指標。但是，以現階段的技術水平難以進行速度量的直接測量，通常以振動加速度作為被測指標，通過對測量數據進行積分從而得到速度、位移量。

2.2實驗系統實驗系統

由電動機、壓電式加速度傳感器、電荷放大器、NI數據采集卡、筆記本電腦等組成。

2.2.1壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器由壓電材料以及敏感元件構成，其特性為遭受外力后會在表面產生電荷。

2.2.2電荷放大器本實驗系統采用KD5018型雙積分電荷放大器，可以將輸入的電荷量轉換為相應的電壓量進行輸出。該型電荷放大器與壓電式加速度傳感器配合時，可以對機械振動中的加速度量進行測量，在機械、化工、航天等領域有著十分廣泛的應用。

2.2.3數據采集卡本實驗系統采用NI公司生產的9205采集卡。

2.2.4激光振動測量儀本實驗系統采用的激光振動測量儀，可以直接測量并輸出振動速度量。

3測試方法及數據處理

3.1測試方法

3.1.1振動速度的間接測量方法本實驗中，振動速度的間接測量方法為加速度一次積分測量法。加速度一次積分測量法，是當前振動測試領域較為成熟的一種方法。其測試系統的性價比較高，對測試環境的要求較低，系統的搭建、使用十分簡便，測試數據后期的處理方法也十分成熟。

3.1.2振動速度的直接測量方法本實驗中，振動速度可以由激光振動測量儀直接測出。

3.2數據處理

3.2.1振動加速度信號的處理實驗過程中所測得的振動加速度信號，應先對其進行A/D轉換并消除直流分量。消除直流分量之后的信號還應進行濾波處理，濾波的方法有兩種：數字頻域濾波、時域濾波。本實驗中采用數字頻域濾波。a消除直流分量濾波之前，首先要消除加速度信號中所包含的直流分量，消除直流分量的方法：先求出N個采樣數據的平均值，然后將各采樣值進行減去平均值的處理，所得數據即為消除直流分量之后的值。b數字頻域濾波在積分之前，還要對消除直流分量之后的振動信號進行濾波處理，本實驗中采用基于FFT變換的頻域濾波。c進行數字積分對加速度信號進行直接數字積分，得到初步的振動速度信號。數字積分的方法有很多，常用的有梯形法和辛普森法。d需消除趨勢項振動測試過程中，受到外界環境溫度變化以及其他干擾的影響，傳感器會產生零漂、低頻性能不穩定等現象。振動測試數據因而往往發生偏離基線的現象，并且偏離基線的程度還會隨時間發生變化，這種現象就是趨勢項。趨勢項是干擾量，需要消除，常用的方法為最小二乘法。對所得到的初步振動速度信號，進行消除趨勢項處理，即可得到可用的速度信號。

3.2.2振動速度信號的處理由于激光振動測量儀所輸出的信號即為速度信號，無需再進行其他處理，可直接應用。

3.2.3振動烈度計算振動烈度是反應機械設備工作狀態的簡明特征量，在以上數據處理的基礎上，指導學生進行振動烈度的時域和頻域計算。

4結論

本文設計了一種振動測試的教學實驗，對實驗目的、實驗內容、實驗原理、實驗設備、測試方法及數據處理方法進行了介紹。通過本實驗，學生可以綜合性的掌握機械振動的機理、振動測試的原理、信號采集的方法以及數據處理的相關知識。

參考文獻

[1]盧建霞，屠大維，趙其杰，許爍.機械工程測試技術實驗教學創新平臺設計[J].實驗室研究與探索.2015（04）：183

[2]彭軍強，于鴻彬，靳曉曙.機床振動的計算機測量綜合性實驗設計[J].黑龍江科技信息.2015（35）：158

篇10

1實驗開發的意義和內容

創新型實驗和設計型實驗教學，是當今世界范圍內實驗教學中的重要課題［1－4］。不斷充實實驗內容，使學生在本科階段得到科學研究和科學發明的訓練，對培養學生發現問題、分析問題和解決問題，拓寬學生的思路有著重要意義。自動控制理論課程是自動化專業和電氣信息類專業學生重要的基礎專業課，每學年在學生學習理論課的同時開設實驗。該理論課程中，數學計算和理論分析的比例大，是本科生遇到的最抽象、難度最大的課程之一。如何使學生理論聯系實際，充分理解這門“強理論性”的課程，則實驗教學內容、方法及形式是關鍵因素。通過實驗，不僅能夠培養學生分析問題和解決問題的能力、驗證所學理論，而且在實驗中能夠提出一些新的見解，活躍學術氣氛。本文在數字PID控制實驗基礎上，加入了控制器設計的思想，讓學生根據實際的被控對象，利用遺傳算法對復雜和模型不清的系統進行簡單而有效的優化，使學生能更好地理解本專業基礎課程的內容。由于課內實驗學時的限制，鼓勵學生參加開放性實驗，利用學生的業余時間進行實驗和研究。實驗中讓學生根據被控對象自主設計實驗算法。學生首先根據需要建立的數學模型模擬多種實際被控對象，如：飛行桅桿、機械臂、衛星天線、溫室及發動機等被控裝置，通過傳遞函數在給定控制性能指標的基礎上進行仿真，然后在實驗室通過模擬電路搭接控制系統，使用遺傳算法優化PID控制參數，再使用模糊控制、神經網絡控制等多種算法，通過圖形顯示驗證是否滿足給定的控制性能指標。

2實驗組成與控制原理

2．1實驗組成本文是在原有實驗裝置的基礎上，開發設計性實驗教學內容。實驗硬件主要包括計算機、模擬實驗箱，計算機與模擬實驗箱通過RS232串口相互連接。利用計算機作為信號發生器、示波器和控制器，實驗箱可以搭接各種對象，用以模擬實際應用。使用模擬實驗箱內單片機的A／D和／D／A轉換器，完成模擬量與數字量的轉換。其系統框圖如圖1所示。在該系統上開發的設計性實驗有經典控制和智能控制技術。其中遺傳算法自動控制實驗，要求學生在充分理解自動控制理論課知識的基礎上，將自動控制與人工智能進行交叉融合，使用計算機，研究解決對不同對象的控制、優化控制器參數的問題。讓學生參照實際被控對象模型，根據給定的指標添加自己的控制算法，優化控制器參數。這些屬于創新型實驗和設計型實驗的綜合，易于用現有實驗平臺實現。2．2遺傳算法控制原理遺傳算法（geneticarithmetic，GA）是建立在自然選擇和自然遺傳學機理基礎上的迭代自適應概率性搜索算法?；舅枷胧菍⒋蠼獾膯栴}轉換成由個體組成的演化群體和對該群體進行操作的一組遺傳算子，反復進行“生成—評價—選擇—操作”的演化過程，直到搜索到最優解。由于PID控制規律簡單有效，在實際過程控制中被廣泛使用，因此，PID參數整定與優化一直是自動控制領域研究的重要問題。其中遺傳算法為群體優化算法，即，從多個初始解開始進行優化，每個解稱為一個染色體，各染色體之間通過競爭、合作、單獨變異，不斷進化。優化時先要將實際問題轉換到遺傳空間，就是把實際問題的解用染色體表示，稱為編碼，反過程為解碼，因為優化后要進行評價，所以要返回問題空間，故要進行解碼［5］。遺傳算法是一種尋求全局最優的優化方法，它無需對目標函數微分即可提高參數優化水平，且簡化了優化解析計算過程。應用中待優化的參數Kp、Ki、Kd均為實數，采用實數編碼，能直接使用問題變量進行編碼，其算法流程如圖2所示。（1）初始種群產生：為保證在整個解空間進行搜索，隨機產生初始種群，算法程序中在給定的搜索空間的上、下限內隨機產生初始種群并賦值給變量。（2）選擇（selectionoperator）：GA使用選擇算子來對群體中的個體進行優勝劣汰操作，適應度較高的個體被遺傳到下一代群體中的概率較大，相反被淘汰的概率也較大。最常用的選擇策略是基于適應值比例的選擇，該方法基本思想是：當多個個體被選中的概率與其適應度大小成正比時，在這種選擇策略下群體成員都有被選擇的機會，它不會使具有較小適應值的個體被剝奪生殖權利。（3）交叉（crossoveroperator）：交叉算子是指對2個相互配對的染色體按某種方式相互交換其部分基因，從而形成2個新的個體。交叉運算在GA中起著至關重要的作用，是產生新個體的主要環節，同時也是GA區別于其他進化算法的重要特征。交叉率的大小決定了交叉操作的頻率，頻率越高，可以越快地收斂到最有希望的最優解區域，因此一般選用較大的交叉率。但是較高的頻率也可能導致過早收斂，因此交叉率的一般經驗取值是0．4～0．9。根據交叉的概率對新群體中的每個個體區間隨機地選擇個體配對，進行交叉操作。（4）變異（mutationoperator）：變異運算是指將個體染色體編碼串中某些基因座上的基因值用該基因座的其他等位基因來替換，形成一個新的個體。變異率的選取一般受種群大小、染色體長度等因素影響，通常選取很小的值，一般取值0．001～0．1。根據變異的概率大小與當前變量的適應度關系及交叉操作中產生后代個體的每一基因值進行計算［6］。（5）算法終結條件：迭代終止條件的選擇決定問題的最優解的精度及算法的收斂速度。實驗中采用迭代次數的上限作為算法終結條件，此時本代群體中適應度最大的個體即為最優解。采用Matlab編寫算法，對被控對象的PID控制的3個參數進行離線優化，進行適應度函數計算，即對每一個個體（PID控制器3個控制參數）都在給定值下進行動態響應過程中計算離散系統PID控制器參數［7］。

3實驗軟件設計

實驗軟件采用VisualStudio2008C＋＋系統和Matlab2009平臺進行開發，充分利用MFC提供的窗口、圖標、選單（菜單）、指示器等控件，合理設計軟件界面的框架、布局和風格。多樣化的人機交互界面可以緩解人們的視覺疲勞，提高學生的興趣。上位機實驗軟件的整體框架設計模型如圖3所示。遺傳算法優化PID參數中用到大量的矩陣處理，所以采用Matlab編寫了M文件。實驗界面采用VisualStudio2008C＋＋（MFC）編寫，即采用VC與Matlab混合編程實現。將Matlab編寫的M文件轉化成VC可以直接調用的C＋＋函數。軟件運行環境需要在目標機器上安裝開發版本的MCRInstaller．exe，（該文件在Matlab2009的安裝目錄下）即可［8］。

4實驗設計

4．1實驗界面實驗中針對某一特定被控對象，學生可以首先利用遺傳算法離線優化得到一組相對比較合適的PID控制器參數初始值，然后接入實驗以優化系統的動態性能。在實驗平臺選擇“遺傳算法優化PID參數實驗”的界面如圖4所示。參數工具界面上包含以下幾個區域：（1）被控對象模型參數設置區域：算法編寫針對常用的二階系統單位負反饋形成的閉環控制回路，學生需要提供被控對象的開環傳遞函數的二階系數、一階系數、常數及增益。（2）周期設定與適應度函數選擇區域：根據香農采樣定理等確定該被控對象的最佳離散采樣控制周期，選擇離散優化時衡量控制系統動態性能的不同誤差積分指標作為算法優化的目標函數，希望其值越小越好，倒數即為優化過程的適應度函數。（3）遺傳參數設置區域：學生需要設置種群數量與迭代次數以及Kp、Ki、Kd參數的搜索空間，在算法設計分析的過程中不斷修正以便得到最優結果。（4）優化結果顯示區域：將在設定條件下，輸出優化結果，同時顯示實驗中目標函數取值的變化曲線及最優結果下系統仿真曲線。（5）實驗按鍵區域：“幫助”文件中介紹了遺傳算法的基本原理、設計流程及基于遺傳算法優化PID參數實驗的一些基本知識，指導學生設計算法，且該軟件為了幫助學生更好地學習遺傳算法，在實驗開始前，先檢測初始條件設定中存在的錯誤，并提示更正，如圖5所示。待設定好提示框參數，即可開始優化進行實驗。該程序采用VC與Matlab混合編程實現。當單擊“開始優化”后，通過實驗進度條及信息提示欄可以隨時了解實驗進度情況。

4．2實驗結果利用實驗箱搭接的被控對象是二階系統，如圖6所示。系統傳遞函數如下：Gp（s）＝10．2s＋1×20．5s＋1經過遺傳算法優化參數，采用初始條件種群數量size＝30，迭代次數為50，選擇評價誤差積分指標IAE作為優化目標函數J。解的搜索空間設定：Kp為0～3，Ki為0～1，Kd為0～3，進行參數優化。得到的優化結果：Kp＝1．5405，Ki＝0．1247，Kd＝2．8636。從實驗結果圖（見圖7）上讀取性能指標：超調量Mp＝9．1％，峰值時間Tp＝0．90s，調整時間1．8～2s。在實驗測試時，還進行了3種對比實驗，一是使用種群數量相同，增加迭代次數；二是迭代次數相同，增大種群數量；三是在相同的參數設置下，選擇不同的誤差積分指標函數作為參數優化目標函數等。限于篇幅，這里不再一一列舉結果及曲線圖。在實際教學實驗環節中，學生可以通過多組對比實驗，分析各個參數在算法優化過程中的作用及如何選取相對效果比較好的參數值。如果對于新的被控對象，不經過任何其他計算直接設定控制器參數的搜索空間是非常困難的。此時若事先采取其他輔助方法計算得到一組初始值，或對控制器參數進行試湊，則會花費大量的時間，且結果也不能保證滿足預定指標。因此，該實驗方法具有一定的實用性。